为以太网供电设备提供低成本、高可靠性解决方案

北二桥头

以太网供电方案的提出为电源设计师带来了众多机遇和挑战，为此，多家电源管理芯片制造商已经开发出能够满足IEEE 802.3af标准的成熟芯片。802.3af标准定义了受电设备(PD)必须如何向供电设备(PSE)表明自己身份的方法。现在，设计师已经无需使用昂贵的IC即能轻松满足该标准的要求。事实上，PD必须向PSE明确自己身份的三大功能只需6到16个低成本分立元件就能很容易地实现(见图1的输入电路)。另外，如果PD的DC-DC转换器电路采用高集成度的电源转换IC来设计，设计师就能快速提供安全可靠并且具有低成本、高能效和易制造优势的解决方案。
. j' n8 M9 w* s( D检测功能如何实现

图1：PD向PSE明确自己身份所需的检测、分类和直通开关连接电路。
图1所示的前端电路中的电阻向PSE提供检测特征阻抗。IEEE 802.3af标准规定该电阻的值必须在19kΩ到26.5kΩ之间。通常选择接近范围上限的值(24.9kΩ)以尽量降低该电阻上的功耗。当PSE的供电电压从2.5V跳升至10V时检测开始。在这一加电过程中，流过这个电阻的电流必须在0.5mA到4mA之间，从而向PSE有效地表明这是PD。

图2：15W、三输出PD DC-DC转换器，在5V输出端采用了同步整流技术。
检测、分类和直通开关(pass-switch)连接电路是如何工作见图1。图1a中，R1向PSE提供特征阻抗，并在上电过程的分类阶段(此时PSE的供电电压从15V上升至20V)向PSE表明这是Class 0设备的电路。一旦施加的输入电压上升到30V左右(27V齐纳二极管加上R2的压降)，齐纳二极管VR1就开始导通电流，从而使R3得到一个电压，进而打开直通开关晶体管Q1。
图1b中，R11用于在检测阶段向PSE提供特征阻抗。元件Q12、Q13、Q14、R14、R15、R16、U11和VR11组成PD的分类电路，并根据R16的值将电路确定为Class1、2或3设备(见表1)。VR11可确保分类电路在检测阶段不被激活。Q13、Q12、R14和R15组成350uA的电流源，向1.24V的参考芯片U11提供偏置电流。
( B- t. @; D3 p. w; Z" E, ]3 C) \当施加的输入电压从15V上升至20V时分类开始进行。PSE根据这一阶段中被吸取的电流值判断PD的类别。R16用于设定由U11和Q14组成的第二个电流源的电流。对于Class1、2和3的设备，分类电流(ICL)取决于R16的值。R16的值可以根据PD的最大功耗从表1中选取。随着VR11、Q14和R16上电压的上升，流过R16的电流也会持续上升，直到它上面的电压达到1.24V。此时，U11开始导通，分流流经Q14的电流，从而使R16上的电压保持在1.24V，从而在分类阶段保持被电路常数吸收的电流。
$ s' N2 i6 x/ r6 d" ~3 ~7 x

图3：带分立PoE接口前端电路的6.6W PD DC-DC转换器。
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. m  T5 M7 u# B元件VR12、VR13、Q11、R12和R13组成直通开关连接电路。一旦输入电压超过30V(27V的齐纳二极管加上Q11的栅极-源极电压(VGS))，VR12就开始导通，R13上获得电压，并加到Q11的栅极至源极，使该晶体管打开。

表1：对应Class 1、2和3设备的R16值。
/ i% w& {% k6 K- Z# J当输入电压超过45VDC时，VR13会将Q11的VGS限制为15VDC。一旦直通开关(Q11)被打开，R17和Q15就会关闭Q14，进而关断分类电流源，确保在分类阶段结束后尽量降低PD的功耗。
5 T0 U* ^9 f% n: j( {DC-DC转换器电路设计
* M+ m! }6 M8 a. U, `: gDPA-Switch系列高集成度电源转换IC可以配置为返驰式(Flyback)或单开关前向(Forward)转换器，因此设计师可以利用同一DPA-Switch器件开发不同的解决方案，从成本极低的Flyback转换器到使用同步整流技术的高效前向转换器。该产品系列包含四种器件，可以轻松改变方案的输出功率，Power Intergrations公司的PI Expert软件套件可以帮助设计师快速轻松地完成文档完善的设计。
/ R; ?6 y. p: Y6 {+ G  p, h- ?! j4 \图2所示的三输出前向转换器只需要45个部件，在PoE输入电压范围(36-57VDC)内典型效率为88%。

表2：用于同步整流前向转换器设计的PI X1s电子数据表。
  R3 ]# z% c& G3 e8 N6 B  n6 D  _根据表2所示的电子数据表文件，只需四个步骤即可完成这个电源转换电路的核心设计。首先，将主输出电流参数(IMAIN)设为3.04A。然后将第二输出电压和电流值设为零，因为这个转换器是当作单输出电源设计的，其总的负载功耗也是在5V输出情况下计算得出的。下一步是将电流限制减小参数(KI)设为50%，从中计算出X引脚电阻(R2)值为13.38kΩ。最后，基本层参数(L)减为1，从而将基本绕组线规格从27改到28。最终完成的设计参数即可用于选择输入和输出电容值。
图3所示的DC-DC转换器电路解决方案也是用PI Expert的组件PI X1s电子数据表工具设计的。该电路被配置为Flyback方式以减少元件数量、PCB尺寸和电源成本。它只需35个元件，在PoE输入电压范围内效率在77%以上。
, _, s, m( x) G. J$ ^变压器设计
为这些转换器设计变压器所需的所有参数可以在PI X1s电子数据表中计算得到。PI Expert套件中的另外一个工具PI Transformer Designer接受电子数据表的磁学计算结果，并用来创建包含单步变压器绕组指令和详细绕组图的完整规格。该工具可以帮助那些不熟悉磁学设计的工程师在产品投入批量生产前快速自信地创建相当完善的变压器规格。
本文小结
本文介绍了如何用少量的分立元件实现能够满足IEEE 802.3af标准中有关PoE PD要求的低成本检测、分类和直通开关连接电路，并描述了如何使用高集成度的电源转换IC(如Power Integrations公司的DPA-Switch器件)以及PI Expert Suite设计软件来快速、简捷地设计低成本DC-DC转换器电路。采用这种方法设计PD可以显著地缩短最终产品的上市时间，同时确保极低的生产成本。

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现在，设计师已经无需使用昂贵的IC即能轻松满足该标准的要求。